CN103000737A

CN103000737A - 太阳能光伏与光热耦合型太阳能电池及其耦合发电方法

Info

Publication number: CN103000737A
Application number: CN2012104922447A
Authority: CN
Inventors: 张伟; 牛志愿; 武超群; 徐进良
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-11-27
Also published as: CN103000737B

Abstract

本发明公开了属于太阳能发电技术领域的一种太阳能光伏与光热耦合型太阳能电池及其耦合发电方法，该电池向光面光伏发电模块、硅通道、加工有永磁薄膜阵列的硅基背板以及散热片组成。在该系统面向太阳一侧，当太阳光照射时，由于光伏效应在光伏发电模块内产生电势；在背光面，通过抽真空注液端口对由光伏模块、硅微通道板及硅背板组成，交替充注高沸点导电工质A和低沸点绝缘工质B，然后封闭，从而使得该蛇形回路形成具有双工质的脉动热管回路。本发明将光伏与光热耦合组成耦合太阳能电池，其突出优势在于背光面脉动热管热发电回路吸收向光面释放的热量发电，使得光伏板工作温度降低，提高了光伏板转换效率和寿命，该具有广阔的应用前景。

Description

太阳能光伏与光热耦合型太阳能电池及其耦合发电方法

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术领域，特别是涉及到一种太阳能光伏与光热耦合型太阳能电池及其耦合发电方法。

背景技术

能源短缺与环境污染已成为制约人类文明发展主要瓶颈之一。太阳能作为取之不尽用之不竭的清洁能源，其高效利用已成为缓解能源危机的主要途径之一。太阳能发电技术可分为两类，即将太阳光能转换成电能的光伏发电技术及太阳辐照热能转化成电能的光热发电技术。光伏发电主要利用了半导体材料（PN结）的光伏效应，光热发电通常利用热功转换技术将热能转换为机械能再转换为电能或直接利用热电转换材料实现热电直接转换。目前，光伏发电的效率相对较低，仅为15%左右，并且在室外暴晒条件下，光伏板吸收太阳能使温度升高，而光伏转换效率通常随着光伏板PN结温度的升高而急剧下降。已有研究表明，温度每升高1摄氏度，光伏转换效率下降0.5%，因此控制光伏板的工作温度，是提高太阳能电池实际工作效率的有效途径之一。

发明内容

本发明创造出一种太阳能光伏与光热耦合型太阳能电池及其耦合发电方法，

一种采用太阳能光伏与光热的耦合型太阳能电池，由向光面光伏模块、硅微通道板、硅基背板及散热片依次组装而成；其中光伏模块、硅微通道板、硅基背板采用微电子机械工艺（MEMS）键合，所述散热片采用导热型粘结剂贴合于硅基背板背面上侧，作为脉动热管回路的放热段，将工质吸收的热量释放到环境中。

所述光伏模块1由第一梳状电极11、减反膜12、PN结13、背电极层14、第一电绝缘层15、第二梳状电极16和第三梳状电极17叠合组成；其中第一梳状电极11和减反膜12加工在PN结13的向光面，减反膜12位于第一梳状电极11和PN结13之间，用于减少向阳面对太阳光的反射；背电极层14加工在PN结13背面，与第一梳状电极11组成PN结13的正负电极对，用于将PN结13产生的电能输出；在背电极层14的背面首先沉积或溅射所述第一绝缘层15，继而沉积或溅射第二梳状电极16和第三梳状电极17。

所述减反膜为透明导电膜。

所述硅微通道板2上加工有蛇形微通道21、容纳第二梳状电极16的第一凹槽22和容纳第三梳状电极17的第二凹槽23及相应的第一电极引线孔24、第二电极引线孔25和第三电极引线孔26。

所述蛇形微通道21的水力直径应小于临界毛细尺度，所述微通道水力直径一般条件下应不大于：

D_{i} \sqrt{g \frac{ρ_{L} - ρ_{G}}{σ}} \leq 2

其中D_i为通道的水力直径，g为重力加速度，ρ_L、ρ_G分别为所述电绝缘工质B的液相、汽相密度，σ为电绝缘工质B的液相和汽相之间界面张力。

所述硅基背板3由硅板31、永磁薄膜阵列32及第二绝缘层33组成三层结构，并加工有第一电极背板引线孔34、第二电极背板引线孔35、第三电极背板引线孔36及抽真空注液端口37；所述硅板面31向微通道板2一侧加工有第三凹槽311，所述永磁薄膜阵列32沉积在第三凹槽311中；所述永磁薄膜阵列32位置正对所述微通道21，从而产生垂直微通道方向的磁场；所述第二绝缘层33用于永磁薄膜阵列32与微通道21内流体的电绝缘。

所述硅基背板3的第一电极背板引线孔34、第二电极背板引线孔35和第三电极背板引线孔36分别与所述硅微通道板上的第一电极引线孔24、第二电极引线孔25和第三电极引线孔26相对应；所述第一电极背板引线孔34用于背电极层的导线连接；所述第二电极背板引线孔35用于第二梳状电极的引线连接，所述第三电极背板引线孔36用于第三梳状电极的引线连接。

所述硅基背板3上的抽真空注液端口37正对所述微通道板2上的蛇形微通道21，用于对微通道进行抽真空后交替充注高沸点导电工质A及低沸点绝缘工质B，充注完成后将抽真空注液端口37封闭，从而使得蛇形微通道21形成具有双工质的脉动热管封闭回路。

所述散热片4位于硅基背板3的背面上侧，作为脉动热管回路的放热段，将工质吸收的热量释放到环境中。

一种太阳能光伏与光热耦合发电方法,其特征在于，该方法采用太阳能光伏与光热的耦合型太阳能电池，将太阳能光伏发电与光热发电耦合集成在一起，即在向光面，采用普通光伏板的PN结结构；同时，在背光面集成双工质脉动热管直接热发电模块；

所述双工质脉动热管直接热发电模块内交替充注高沸点导电工质A和低沸点绝缘工质B，其中低沸点绝缘工质B吸收来自向光面的太阳光热发生相变而吸热，低沸点绝缘工质B被加热变成气相绝缘工质B_气，有效降低所述向光面PN结的温度，从而提高其光伏转换效率；同时，在背光面的双工质脉动热管直接热发电模块内集成永磁薄膜阵列产生磁场，高沸点导电工质A的运动与磁场垂直，根据法拉第电磁感应定律，将在导电工质A的内部产生感应电动势从而实现热电直接转换；该光伏与光热耦合型电池在提高光伏效率的同时，也实现了光热直接发电，提高整体发电效率。

本发明的有益效果是本光伏与光热耦合型太阳能电池，一方面，光热模块通过吸收光热模块的热量控制了光伏板的温升水平，提高了光伏模块的实际转换效率，另一方面，光热模块将吸收的部分热量转化为电能，因此，该光伏与光热耦合型太阳能电池具有较高的太阳能发电效率，而且整个耦合模块可以通过微电子机械系统（MEMS）工艺实现规模化生产，无需集成任何运动机械部件，具有高转换效率和高可靠性的显著优点，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为太阳能光伏与光热的耦合型太阳能电池的整体示意图

图2为图1的A-A截面示意图。

图3 为所述光伏模块的内部结构三维示意图。

图 4 为所述微通道板的结构示意图，其中a为三维示意图；b为俯视图。

图5为所述硅基背板的结构三维示意图。

图6为光热发电原理示意图。

附图标记说明：1、光伏模块，2、硅微通道板，3、硅基背板，4、散热片，11、梳状电极，12、减反膜，13、PN结，14、背电极层，15、第一电绝缘层，16、第二梳状电极（图中，“—”电池的负极），17、第三梳状电极（图中，“+”电池的正极）， 21、蛇形微通道，22、第一凹槽，23、第二凹槽，24、第一电极引线孔，25、第二电极引线孔，26、第三电极引线孔，31、硅背板，311、第三凹槽， 32、永磁薄膜阵列，33、第二电绝缘层, 34、第一电极背板引线孔，35、第二电极背板引线孔，36、第三电极背板引线孔，37、抽真空注液端口

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

具体实施方式：

一种太阳能光伏/光热耦合发电方法,该方法创造性将太阳能光伏发电与光热发电集成，在向光面，采用普通光伏板的PN结结构；同时，在背光面集成双工质脉动热管直接热发电模块。

图6所示光热发电原理示意图。其光伏/光热耦合型太阳能电池的工作原理为：所述双工质脉动热管直接热发电模块内交替充注高沸点导电工质A和低沸点绝缘工质B，其中低沸点绝缘工质B吸收来自向光面的太阳光热发生相变而吸热，低沸点绝缘工质B被加热变成气相绝缘工质B _气，可有效降低所述向光面PN结的温度，从而提高其光伏转换效率；同时，在背光面，双工质的脉动热管封闭回路吸收向光面的热量，低沸点绝缘工质B发生相变而体积膨胀，使得双工质的脉动热管封闭回路内产生脉动流动，高沸点导电工质A仅发生位移而不发生相变，并且其运动垂直切割所述永磁薄膜32产生的磁场，从而在高沸点导电工质A的内部产生感应电动势，根据法拉第电磁感应定律，将在导电工质A的内部产生感应电动势从而实现热电直接转换，从而实现光热发电。该光伏/光热耦合型电池在提高光伏效率的同时，也实现了光热直接发电，具有较高的整体发电效率。

图1所示，一种采用所述太阳能光伏/光热方法的光伏/光热耦合型硅基太阳能电池的总装图，由光伏模块1、硅微通道板2、硅基背板3及散热片4组成。

图2所示为图1的A-A截面示意图。所述光伏模块1、硅微通道板2、硅基背板3采用微电子机械工艺（MEMS）键合，所述散热片4采用导热型粘结剂贴合于硅基背板3背面上侧。所述光伏模块1由第一梳状电极11、减反膜12、PN结13、背电极层14、第一电绝缘层15、第二梳状电极16和第三梳状电极17叠合组成；其中第一梳状电极11和减反膜12加工在PN结13的向光面，减反膜12位于第一梳状电极11和PN结13之间，用于减少向阳面对太阳光的反射；背电极层14 加工在PN结13背面，与第一梳状电极11组成PN结13的正负电极对，用于将PN结13产生的电能输出；在背电极层14的背面首先沉积或溅射所述第一绝缘层15，继而沉积或溅射第二梳状电极16和第三梳状电极17（如图3所示）。图中，“—”表示电池的负极从第二梳状电极16引出，图中，“+”表示电池的正极，从第三梳状电极17引出（如图6所示）。

图4所示为所述微通道板的结构示意图，其中a为三维示意图；b为俯视图。在硅微通道板2上加工有蛇形微通道21、容纳第二梳状电极16的第一凹槽22和容纳第三梳状电极17的第二凹槽23及相应的第一电极引线孔24、第二电极引线孔25和第三电极引线孔26。

D_{i} \sqrt{g \frac{ρ_{L} - ρ_{G}}{σ}} \leq 2

图5所示为所述硅基背板的结构三维示意图。图中硅基背板3由硅板31、永磁薄膜阵列32及第二绝缘层33组成三层结构，并加工有第一电极背板引线孔34、第二电极背板引线孔35、第三电极背板引线孔36及抽真空注液端口37；所述硅板面31向微通道板2一侧加工有第三凹槽311，所述永磁薄膜阵列32沉积在第三凹槽311中；所述永磁薄膜阵列32位置正对所述微通道21，从而产生垂直微通道方向的磁场（如图6所示）；所述第二绝缘层33用于永磁薄膜阵列32与微通道21内流体的电绝缘。上述硅基背板3的第一电极背板引线孔34、第二电极背板引线孔35和第三电极背板引线孔36分别与所述硅微通道板上的第一电极引线孔24、第二电极引线孔25和第三电极引线孔26相对应；所述第一电极背板引线孔34用于背电极层的导线连接；所述第二电极背板引线孔35用于第二梳状电极的引线连接，所述第三电极背板引线孔36用于第三梳状电极的引线连接。

在硅基背板3上的抽真空注液端口37正对所述微通道板2上的蛇形微通道21，用于对微通道进行抽真空后交替充注高沸点导电工质A及低沸点绝缘工质B，充注完成后将抽真空注液端口37封闭，从而使得蛇形微通道21形成具有双工质的脉动热管封闭回路。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所谓的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims

1.一种太阳能光伏与光热的耦合型太阳能电池，其特征在于，由向光面光伏模块（1）、硅微通道板（2）、硅基背板（3）及散热片（4）依次组装而成；其中光伏模块、硅微通道板、硅基背板采用微电子机械工艺MEMS键合，所述散热片（4）采用导热型粘结剂贴合于硅基背板背面上侧，作为脉动热管回路的放热段，将工质吸收的热量释放到环境中。

2.根据权利要求1所述一种太阳能光伏与光热的耦合型太阳能电池，其特征在于，所述光伏模块（1）由第一梳状电极（11）、减反膜（12）、PN结（13）、背电极层（14）、第一电绝缘层（15）、第二梳状电极（16）和第三梳状电极（17）叠合组成；其中第一梳状电极（11）和减反膜（12）加工在PN结（13）的向光面，减反膜（12）位于第一梳状电极（11）和PN结（13）之间，用于减少向阳面对太阳光的反射；背电极层（14）加工在PN结（13）背面，与第一梳状电极（11）组成PN结（13）的正负电极对，用于将PN结（13）产生的电能输出；在背电极层（14）的背面首先沉积或溅射所述第一绝缘层（15），继而沉积或溅射第二梳状电极（16）和第三梳状电极（17）。

3.根据权利要求2所述一种太阳能光伏与光热的耦合型太阳能电池，其特征在于，所述减反膜为透明导电膜。

4.根据权利要求1所述一种太阳能光伏与光热的耦合型太阳能电池，其特征在于，所述硅微通道板（2）上加工有蛇形微通道（21）、容纳第二梳状电极（16）的第一凹槽（22）和容纳第三梳状电极（17）的第二凹槽（23）及相应的第一电极引线孔（24）、第二电极引线孔（25）和第三电极引线孔（26）。

5.根据权利要求4所述一种太阳能光伏与光热的耦合型太阳能电池，其特征在于，所述蛇形微通道的水力直径应小于临界毛细尺度，所述微通道水力直径应不大于：

D_{i} \sqrt{g \frac{ρ_{L} - ρ_{G}}{σ}} \leq 2

6.根据权利要求1所述一种太阳能光伏与光热的耦合型太阳能电池，其特征在于，所述硅基背板（3）由硅板（31）、永磁薄膜阵列（32）及第二绝缘层（33）组成三层结构，并加工有第一电极背板引线孔（34）、第二电极背板引线孔（35）、第三电极背板引线孔（36）及抽真空注液端口（37）；所述硅板（31）面向微通道板一侧加工有第三凹槽（311），所述永磁薄膜阵列（32）沉积在第三凹槽（311）中；所述永磁薄膜阵列（32）位置正对所述微通道（21），从而产生垂直微通道方向的磁场；所述第二绝缘层（33）用于永磁薄膜阵列与微通道内流体的电绝缘。

7.根据权利要求1所述一种太阳能光伏与光热的耦合型太阳能电池，其特征在于，所述硅基背板的第一电极背板引线孔（34）、第二电极背板引线孔（35）和第三电极背板引线孔（36）分别与所述硅微通道板上的第一电极引线孔（24）、第二电极引线孔（25）和第三电极引线孔（26）相对应；所述第一电极背板引线孔（34）用于背电极层的导线连接；所述第二电极背板引线孔（35）用于第二梳状电极的引线连接，所述第三电极背板引线孔（36）用于第三梳状电极的引线连接。

8.根据权利要求1所述一种太阳能光伏与光热的耦合型太阳能电池，其特征在于，所述硅基背板上的抽真空注液端口（37）正对所述微通道板上的蛇形微通道（21），用于对微通道进行抽真空后交替充注高沸点导电工质A及低沸点绝缘工质B，充注完成后将抽真空注液端口封闭，从而使得蛇形微通道形成具有双工质的脉动热管封闭回路。

9.一种太阳能光伏与光热耦合发电方法,其特征在于，该方法采用太阳能光伏与光热的耦合型太阳能电池，将太阳能光伏发电与光热发电耦合集成在一起，即在向光面，采用普通光伏板的PN结结构；同时，在背光面集成双工质脉动热管直接热发电模块；所述双工质脉动热管直接热发电模块内交替充注高沸点导电工质A和低沸点绝缘工质B，其中低沸点绝缘工质B吸收来自向光面的太阳光热发生相变而吸热，有效降低所述向光面PN结的温度，从而提高其光伏转换效率；同时，在背光面的双工质脉动热管直接热发电模块内集成永磁薄膜阵列产生磁场，高沸点导电工质A的运动与磁场垂直，根据法拉第电磁感应定律，将在导电工质A的内部产生感应电动势从而实现热电直接转换；该光伏与光热耦合型电池在提高光伏效率的同时，也实现了光热直接发电，提高整体发电效率。